CN101653710A - 一种多级多通道径向绝热式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于以含氧化合物为原料生产低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器，包括壳体，其顶部设有原料入口，底部设有产物出口，所述壳体内沿轴向设置多级反应床层，每一级反应床层包含一个或多个安装在支撑构架上的环形径向反应区，每个环形径向反应区都包括气相外分布筒和气相内分布筒，气相外分布筒和气相内分布筒之间是催化剂床层，催化剂床层上下都有盖板密封结构。相邻两个反应级之间布置有冷激喷淋系统，通过合理分配冷激液，可以有效控制每一反应级的进、出料温度。采用本发明的多级多通道径向流动形式，在合理控温的同时既可降低反应器阻力，又可提高反应器空间利用率，从而达到减少设备投资、提高低碳烯烃选择性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产低碳烯烃的反应设备，尤其涉及一种以含氧化合物为原料生产低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器。
背景技术
随着世界能源需求不断增加，石油资源日渐匮乏，以煤或天然气为原料经中间产物甲醇或其他含氧化合物制备乙烯、丙烯等低碳烯烃的方法受到广泛关注。
目前围绕含氧化合物生产低碳烯烃的研究成果已有大量报道，其中以UOP/Hydro联合开发的MTO工艺和Lurgi公司开发的MTP工艺为代表。MTO工艺以甲醇为原料生产乙烯和丙烯，采用的提升管流化床反应器具有很好的移热效果，反应温度容易控制，适合于含氧化合物制低碳烯烃这一强放热反应。但流化床反应器操作较固定床反应器相对复杂，且催化剂在流动过程中容易磨损。Lurgi公司开发了用固定床反应器生产以丙烯为主的低碳烯烃工艺，即MTP工艺，根据世界知识产权组织专利WO2007/140844A1，该工艺采用轴向流动多级固定床绝热反应器，通过级间冷激控制反应温度，同时采用薄床层结构减小反应器阻力，从而获得较高的丙烯选择性。为达到一定生产规模，这样的薄床层结构在工业放大时势必造成反应器直径很大、空间利用率不高，同时大直径又对催化剂床层的装填和流体的均匀分布提出很高的要求。
径向流动反应器较轴向流动反应器具有流体流通面积大、催化剂床层压降小，此外还有减小壁效应，能强制流体均布等优点。中华人民共和国专利200620110323.4提出了一种多段径向冷激式反应器，由上至下分段设置三层径向反应区，并在反应器壳体上设有夹套式换热装置，可以有效降低反应器阻力，并且移走部分反应热。但是当反应床层很薄，且处理量较大时，每段均为单环设计的径向床会导致反应器空间利用率很低，且对于含氧化合物生产低碳烯烃这种强放热反应，夹套取热效果极其有限。
中华人民共和国专利200810120839.3公开了一种用于以含氧化合物为原料生产丙烯的径向移动床反应器，该发明采用同轴设置的多个相互穿套的环形反应区域，每两个反应区之间设有环形冷却区，径向流动结合冷激的设计，既可以有效移走反应放热，又可以减小反应床层阻力。但随着环形反应床层数量的增加，反应系统将更加复杂，反应器直径也会大幅增加，而且反应器内层的环形反应区的流体流通面积远小于外层反应区的流体流通面积，保持反应物料在所有催化剂床层具有相同的空速比较困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够有效控制反应温度、降低反应器阻力、提高反应器空间利用率，从而获得设备投资少、丙烯选择性高的用于以含氧化合物为原料生产低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于以含氧化合物为原料生产丙烯为主的低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器，包括圆柱形壳体，壳体顶部设有原料入口，底部设有产物出口，壳体内设置多级反应床层，每一级反应床层包含一个或多个安装在支撑构架上的环形径向反应区，每个环形径向反应区都包括气相外分布筒和气相内分布筒，气相外分布筒和气相内分布筒之间装填有催化剂床层，催化剂床层上下都有盖板密封结构，相邻两级反应床层之间布置有冷激喷淋系统。
作为原料的含氧化合物可以是甲醇、乙醇、二甲醚，或者是甲醇合成塔出口气体经冷却和气液分离后所得的粗甲醇，以及它们的混合物或它们与C1至C8烷烃及C2至C8烯烃的混合物。催化剂为酸性分子筛，包括但不限于ZSM-5型分子筛或改性的ZSM-5型分子筛催化剂。
根据反应时催化剂放热产生温升的限制，反应器内设置有多级反应床层，相邻两级反应床层间设有冷激喷淋系统。考虑到系统的复杂程度，反应床层通常设为3-8级，冷激喷淋系统的数量比反应床层的数量少一个。
冷激喷淋系统包括沿环形径向反应区外侧或内侧规则排列的一组或多组带喷嘴的喷淋管。
每一级反应床层包含一个或多个安装在支撑构架上的环形径向反应区，工业生产中，为了满足较大处理量要求，并保持流体流经催化剂床层的阻力较小，要求流体有很大的流通面积，如果每级反应床层只有一个环形径向反应区，那么反应区的内、外径和高度将很大，则反应器体积庞大、空间利用率低。本发明通过在每一级反应床层上设置相同内、外径和相同高度的多个催化剂床层，既在薄床层条件下保证了大处理量所需的大流通面积，又可以有效利用反应器空间，减少设备投资，能够有效地解决放大问题。根据处理能力的不同，本发明在每一级反应床层上设置的环形径向反应区数量为1至14个，呈正三角形或正方形排列。不同级反应床层上的环形径向反应区数量相等。
同一级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度相同，厚度为200mm至1200mm。由于逐级喷淋冷激物料，由上至下，进入每一级反应床层的稀释剂不断增加，为保持每一级反应床层的绝热温升相对恒定，由上至下各级反应床层的反应转化量不断增加，可采用两种方式布置各级反应床层上的环形径向反应区。方式一：各级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度相同，合理的催化剂厚度区间是200mm至600mm，催化剂装填高度逐级增加；方式二：各级反应床层上环形径向反应区的催化剂装填高度不变，催化剂厚度由上至下逐级增加，合理的催化剂厚度区间是：第一级反应床层的催化剂床层厚度为200至500mm，最后一级反应床层的催化剂床层厚度为500至1200mm，催化剂装填高度可以相同，也可以不同。
本发明优选上述方式一。用含氧化合物制备以丙烯为主的低碳烯烃是体积增加的反应，并且各反应级间均有冷激物料加入，反应器内由上至下气体体积不断增加，采用方式一所述的逐级增加径向反应区高度可实现在逐级增加催化剂装填量的同时逐级增加流体流通截面积，这样可以有效缓解反应气体通过催化剂床层的线速度不断增加导致压降增加、催化剂“贴壁”等不良影响。这一优点是上述方式二和非变径的轴向床所无法具备的。
温度为380-480℃的反应原料由原料入口进入反应器，均匀分配到第一级反应床层的每个环形径向反应区，以径向离心流动方式依次通过气相内分布筒、催化剂床层和气相外分布筒，经反应的450-520℃的物料与冷激喷淋系统喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层；按照与第一级反应床层相同的流动方式，反应物由上至下依次通过各级反应床层，由最后一级反应床层流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口流出反应器。
采用不同的盖板密封结构和喷淋系统布置，该反应器也可以设计为径向向心流动形式。温度为380-480℃的反应原料由原料入口进入反应器，均匀分配到第一级反应床层的每个环形径向反应区，以径向向心流动方式依次通过气相外分布筒、催化剂床层和气相内分布筒后与冷激喷淋系统喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层，按照与第一级反应床层相同的流动方式，反应物由上至下依次通过以下各级反应床层，由最后一级反应床层流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口流出反应器。
以上所述的多级多通道径向绝热式反应器可以一台单独使用，也可以多台串联、并联或混联使用，根据整体工艺要求，可以在相邻两台多级多通道径向绝热式反应器之间设置换热器。
与现有技术相比，本发明提供了一种用于以含氧化合物为原料生产丙烯为主的低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器，采用该反应器能够有效控制反应温度、降低反应器阻力、提高反应器空间利用率，从而有效降低设备投资、提高丙烯产率。
附图说明
图1本发明径向离心流动形式的多级多通道径向绝热式反应器示意图；
图2本发明径向向心流动形式的多级多通道径向绝热式反应器示意图；
图3图1和图2所示反应器的A-A剖面图；
图4本发明径向离心流动形式的冷激喷淋系统布置示意图；
图5本发明径向向心流动形式的冷激喷淋系统布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种径向离心流动形式的多级多通道径向绝热式反应器，用于以含氧化合物为原料生产以丙烯为主的低碳烯烃，包括圆柱形壳体2，壳体2顶部设有原料入口1，底部设有产物出口10。壳体2内沿轴向设置5级反应床层：第一级反应床层11、第二级反应床层12…第五级反应床层13，每一级反应床层都包含7个安装在支撑构架7上的环形径向反应区14，每个环形径向反应区14都包括气相外分布筒4和气相内分布筒5，气相外分布筒4和气相内分布筒5之间是催化剂床层6。
每级反应床层上的7个环形径向反应区14采用正三角形分布，见图3所示。各级反应床层上的环形径向反应区14具有相同的内径、外径，催化剂床层6厚度为460mm，不同级反应床层上的环形径向反应区14具有不同的催化剂床层6高度，由上至下逐级增加，第一级反应床层上的环形径向反应区高度为3003mm，第二级为3395mm，第三级为3881mm，第四级为4670mm，第五级为5943mm。
气相外分布筒4和气相内分布筒5设有流体流通孔道，孔道直径小于催化剂直径，以防止催化剂穿透分布筒。
催化剂床层6内装有改性的ZSM-5型分子筛催化剂。催化剂床层6上下分别安装有盖板密封结构3和盖板密封结构9。相邻两级反应床层之间布置有冷激喷淋系统8，如图4所示，冷激喷淋系统8包括沿环形径向反应区14外侧规则排列的一组或多组带喷嘴的喷淋管15。
上述径向离心流动形式的多级多通道径向绝热式反应器的工作过程如下：
温度为380-480℃的反应原料由原料入口1进入反应器，均匀分配到第一级反应床层11的每个环形径向反应区14，以径向离心流动方式依次通过气相内分布筒4、催化剂床层6和气相外分布筒5后与冷激喷淋系统8喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层12，按照与第一级反应床层11相同的流动方式，反应物由上至下依次通过以下各级反应床层，由最后一级反应床层13流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口10流出反应器。
此外，如图2、图5所示，只需改动催化剂床层6上下分别安装的盖板密封结构3、盖板密封结构9形式和冷激喷淋系统8的布置，冷激喷淋系统8包括沿环形径向反应区14内侧规则排列的一组或多组带喷嘴的喷淋管16，其余设置同上，就可以实现反应流体径向向心流动。
实施例2
一种用于以含氧化合物为原料生产丙烯为主的低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器，包括圆柱形壳体，壳体顶部设有原料入口，底部设有产物出口，壳体内设置多级反应床层，每一级反应床层包含一个或多个安装在支撑构架上的环形径向反应区，每个环形径向反应区都包括气相外分布筒和气相内分布筒，气相外分布筒和气相内分布筒之间装填有催化剂床层，催化剂床层上下都有盖板密封结构，相邻两级反应床层之间布置有冷激喷淋系统。
所用催化剂为ZSM-5型分子筛。
根据反应时催化剂放热产生温升的限制，反应器内设置有3级反应床层，相邻两级反应床层间设有冷激喷淋系统，冷激喷淋系统的数量比反应床层的数量少一个为2套。冷激喷淋系统为沿环形径向反应区外侧规则排列的一组带喷嘴的喷淋管。
各级反应床层均包含一个安装在支撑构架上的环形径向反应区。各级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度由上至下逐级增加：第一级反应床层的催化剂床层厚度为200mm，第二级反应床层的催化剂床层厚度为500mm，最后一级反应床层的催化剂床层厚度为1200mm，催化剂装填高度相同。
温度为380-480℃的反应原料由原料入口进入反应器，以径向离心流动方式依次通过第一级反应床层环形径向反应区的气相内分布筒、催化剂床层和气相外分布筒，经反应的450-520℃的物料与冷激喷淋系统喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层；按照与第一级反应床层相同的流动方式，反应物由上至下依次通过各级反应床层，由第三级反应床层流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口流出反应器。
根据整体工艺要求，以上所述的多级多通道径向绝热式反应器多台串联、并联或混联使用，并且在相邻两台多级多通道径向绝热式反应器之间设置换热器。
实施例3
一种用于以含氧化合物为原料生产丙烯为主的低碳烯烃的多级多通道径向绝热式反应器，包括圆柱形壳体，壳体顶部设有原料入口，底部设有产物出口，壳体内设置多级反应床层，每一级反应床层包含一个或多个安装在支撑构架上的环形径向反应区，每个环形径向反应区都包括气相外分布筒和气相内分布筒，气相外分布筒和气相内分布筒之间装填有催化剂床层，催化剂床层上下都有盖板密封结构，相邻两级反应床层之间布置有冷激喷淋系统。
所用催化剂为改性的ZSM-5型分子筛催化剂。
根据反应时催化剂放热产生温升的限制，反应器内设置有8级反应床层，相邻两级反应床层间设有冷激喷淋系统，冷激喷淋系统的数量比反应床层的数量少一个为7套，冷激喷淋系统包括沿环形径向反应区内侧规则排列的多组带喷嘴的喷淋管。
每一级反应床层包含14个安装在支撑构架上的环形径向反应区，呈正三角形或正方形排列，不同级反应床层上的环形径向反应区数量相等。在每一级反应床层上设置相同内、外径和相同高度的14个催化剂床层，既在薄床层条件下保证了大处理量所需的大流通面积，又可以有效利用反应器空间，减少设备投资，能够有效地解决放大问题。
同一级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度相同，厚度为200mm，各级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度相同。
温度为380-480℃的反应原料由原料入口进入反应器，均匀分配到第一级反应床层的每个环形径向反应区，以径向向心流动方式依次通过气相外分布筒、催化剂床层和气相内分布筒后与冷激喷淋系统喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层，按照与第一级反应床层相同的流动方式，反应物由上至下依次通过以下各级反应床层，由第八级反应床层流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口流出反应器。
以上所述的多级多通道径向绝热式反应器一台单独使用。
上述各实施例中作为原料的含氧化合物可以是甲醇、乙醇、二甲醚，或者是甲醇合成塔出口气体经冷却和气液分离后所得的粗甲醇，以及它们的混合物或它们与其他烃类(包括C1至C8的烷烃和C2至C8的烯烃等)及水的混合物。同一级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度相同，厚度为200mm至1200mm。各级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度可以相同，合理的催化剂厚度区间是200mm至600mm，催化剂装填高度逐级增加；也可以各级反应床层上环形径向反应区的催化剂厚度由上至下逐级增加，合理的催化剂厚度区间是：第一级反应床层的催化剂床层厚度为200至500mm，最后一级反应床层的催化剂床层厚度为500至1200mm，催化剂装填高度可以相同，也可以不同。
Claims (15)
1.一种多级多通道径向绝热式反应器，用于以含氧化合物为原料生产以丙烯为主的低碳烯烃，该反应器包括壳体(2)，壳体(2)顶部设有原料入口(1)，底部设有产物出口(10)，其特征在于：所述壳体(2)内沿轴向设置多级反应床层，每一级反应床层包含一个或多个安装在支撑构架(7)上的环形径向反应区(14)，每个环形径向反应区(14)都包括气相外分布筒(4)和气相内分布筒(5)，气相外分布筒(4)和气相内分布筒(5)之间是催化剂床层(6)，催化剂床层(6)上下分别设有盖板密封结构(3)和盖板密封结构(9)，相邻两级反应床层之间布置有冷激喷淋系统(8)。
2.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的含氧化合物包括但不限于甲醇、乙醇、二甲醚、水，以及它们的混合物或它们与C1至C8烷烃和C2至C8烯烃的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的催化剂床层(6)内填充的催化剂为酸性分子筛，包括但不限于ZSM-5型分子筛或改性的ZSM-5型分子筛催化剂。
4.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的多级反应床层为3至8级。
5.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的环形径向反应区(14)在每一级反应床层上的数量为1至14个，各级反应床层上环形径向反应区(14)的数量相等。
6.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的环形径向反应区(14)在同一级反应床层上具有相同气相外分布筒(4)直径、气相内分布筒(5)直径，且它们的高度相等，环形径向反应区(14)呈正三角形或正方形排列。
7.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的催化剂床层(6)的厚度在不同级反应床层相同，催化剂床层(6)厚度为200mm至600mm。
8.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的催化剂床层(6)的厚度在不同级反应床层由上至下逐步增加，第一级反应床层(11)的催化剂床层(6)厚度为200至500mm，最后一级反应床层的催化剂床层(6)厚度为500至1200mm。
9.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的催化剂床层(6)的高度在不同级反应床层可以相同，也可以不同。
10.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的冷激喷淋系统(8)位于两级反应床层之间，冷激喷淋系统(8)数量比反应床层数量少一个。
11.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，温度为380-480℃的反应原料由原料入口(1)进入反应器，均匀分配到第一级反应床层(11)的每个环形径向反应区(14)，以径向离心流动方式依次通过气相内分布筒(5)、催化剂床层(6)和气相外分布筒(4)后与冷激喷淋系统(8)喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层(12)，按照与第一级反应床层(11)相同的流动方式，反应物由上至下依次通过以下各级反应床层，由最后一级反应床层流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口(10)流出反应器。
12.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，温度为380-480℃的反应原料由原料入口(1)进入反应器，均匀分配到第一级反应床层(11)的每个环形径向反应区(14)，以径向向心流动方式依次通过气相外分布筒(4)、催化剂床层(6)和气相内分布筒(5)后与冷激喷淋系统(8)喷出的冷激物料混合，温度降低至380-480℃后进入第二级反应床层(12)，按照与第一级反应床层(11)相同的流动方式，反应物由上至下依次通过以下各级反应床层，由最后一级反应床层流出的温度为450-520℃的反应产物无需冷激，直接由产物出口(10)流出反应器。
13.根据权利要求1或10或11所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的冷激喷淋系统(8)包括沿环形径向反应区(14)外侧规则排列的一组或多组带喷嘴的喷淋管(15)。
14.根据权利要求1或10或12所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的冷激喷淋系统(8)包括沿环形径向反应区(14)内侧规则排列的一组或多组带喷嘴的喷淋管(16)。
15.根据权利要求1所述的一种多级多通道径向绝热式反应器，其特征在于，所述的多级多通道径向绝热式反应器可以一台单独使用，也可以多台串联、并联或混联组成一组反应器使用。
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